葵花8号静止气象卫星在广东省林火监测工作中的应用

曾庆峰，陈斌锋，曾 臻

（广东省航空护林站/广东省林火卫星监测中心，广东 广州 510173）

森林是陆地生态的主体，是人类赖以生存和发展的宝贵资源，它具有涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护和森林游憩等生态服务功能，是地球生态平衡的保护者。林火作为一种自然现象，是森林生态系统中最活跃的因素之一，全球每年约有1%的森林经历火的干扰，林火直接影响和改变区域森林生态系统的过程和格局[1]。国家卫星气象中心从1986年开始开展利用气象卫星资料监测林火的研究和服务，近年来利用气象卫星监测林火已经在全国各地形成业务，发挥了巨大的社会、经济和生态效益[2]。

1 我国卫星林火监测现状

我国卫星林火监测研究应用始于20世纪80年代，卫星监测思想启蒙于苏联护林防火工作。到90年代初，从国外的NOAA/AVHHR、EOS/MO⁃DIS卫星到国内的FY、CBERS、HJ系列卫星，我国进入了快速的林火监测研究和应用阶段。目前，以国家林业和草原局为中心，已建立了覆盖全国的北京、东北、西南、西北林区及各市县卫星监测网络[3]。卫星林火监测业务以其覆盖范围广、监测时次多和监测成本低、受人为因素影响小等特点，被誉为森林防火工作的千里眼。多年来，卫星林火监测已成为国家和广东省发现森林火灾最重要的技术手段，取得很好的应用效益。当前，卫星林火监测工作在广东省森林防火工作中主要发挥3方面的作用：一是实时监控全省火情动态，宏观掌握全省火险形势；二是全面监测林内用火情况，及时发现初发火灾，为实现“打早、打小、打了”提供技术支持；三是在较大火灾发生后，对火灾实行动态连续跟踪监测，及时了解火灾的发展、蔓延情况、火头分布、复燃烟点等实况信息，为扑火指挥决策提供依据。

目前，国家林业和草原局森林火灾监测所用卫星主要是我国FY3系列实验星（A星、B星）、美国NOAA系列和EOS-MODIS系列的极轨卫星。极轨气象卫星虽然在林火监测中发挥了重要作用，但由于其轨道运行特点，在实际应用中仍有如下不足。

1）极轨气象卫星的时间分辨率低。即便目前林火监测已有多颗运行的极轨气象卫星，但过境时间相对集中，平均时间间隔高达4～5小时，且每天仍有若干时段无观测数据。

2）极轨卫星的扫描宽度相对较窄，边缘部分畸变较大，分辨率降低。

3）极轨卫星虽然有多颗星，但每颗卫星的观测角度不同，对地面的覆盖范围和位置也不同，对突发性事件的连续观测能力不足。由于观测角度和遥感仪器特性不同，对同一地物，不同卫星获取的辐射信息不同，即便进行了校正，不同校正将存在不同程度误差，因此无法进行较高要求的分析比较。

2 新一代静止卫星在林火监测工作中的优势

静止卫星又称地球同步轨道卫星。由于静止卫星运行和地球自转同步，因此，静止卫星每天对所覆盖的固定区域可以进行高频次的观测，目前的观测频次可达到分钟级。

随着我国风云四号（FY-4）以及日本葵花8号（Himawari 8）等静止气象卫星的发射使用，为卫星林火监测工作提供了更多、更好、更稳定的卫星资源。静止卫星具有覆盖范围宽广、资料获取时间同步、观测位置固定、观测时次密集连续等特点，可极大地提高卫星林火监测技术和服务水平，缓解当前森林火灾监测工作中星源不足及极轨卫星监测存在空白时段的问题。

3 广东省静止卫星林火监测系统设计和实现

3.1 总体设计

广东省静止卫星林火监测系统首先接收广东省气象局推送的葵花8号图像，通过对接收的数据进行预处理、检测、统计、异常热点处理、存储等，实现对卫星数据接收情况的实时监控。系统采用单景图像和多时次多景图像的多模式提取森林火情信息，制作森林火情监测报告，并自动提交至广东省森林防火综合管理系统，向广东省林火卫星监测中心推送森林火情信息；同时，按市级行政区划进行数据切分，推送至广东省卫星林火监测数据共享云平台，以短信方式告知各市级森林防火部门下载本区域火情监测数据，并实时推送至疑似火情所在区域的护林员进行第一时间实地核查，实现向全省各级森林防火部门提供高频次、高精度、高准确性的森林火情卫星监测信息，为广东省森林火情监测工作提供有力的高科技手段。静止卫星林火监测系统基本运行方式见图1。

图1 广东省静止卫星林火监测系统总体结构

3.2 系统功能实现

广东省静止卫星林火监测系统包括数据接收控制、葵花8号数据林火监测、数据分发与成果发布等3个模块，见图2。

图2 广东省静止卫星林火监测系统功能架构

1）数据接收控制模块。负责接收广东省气象局推送的葵花8号卫星影像数据，支持断点续传、速度限制、权限限制、目录权限访问限制等。系统后台程序对接收到的数据进行解压缩、检测，包括对解压后的卫星数据文件夹名称与文件名是否一致进行检查、每景影像数据量大小检查、每景影像波段及文件完整性检查、每景影像坐标信息是否与实地位置相对应检查、每景影像投影信息是否与元数据信息匹配检查等。

2）葵花8号数据林火监测模块。采用适用于葵花8号卫星数据的林火提取算法，按单景模式和多时次多景模式进行林火监测提取，制作林火监测报告。系统支持自动火点判识，也支持通过人机交互调整系数调整、阈值调整方式判识火点。根据前期测试，采用人机交互判识可以提高火点判识准确度。同时，系统支持对过火面积进行自动评估，对火势发展方向、火情强度增强/减弱等信息的评估。

林火监测成果制作支持自动（手动）定位几何精校正。林火监测报告包括火点的经纬度信息、火点的像元信息、是否有烟、是否连续、火点的背景地类（包括林地、农田等）及其比例等。由于葵花8号卫星每15 min可提供一次数据，当火灾发生时，模块支持林火监测结果时间序列统计分析、对比以及动态展示。

3）数据分发与成果发布模块。该模块首先对葵花8号数据做影像拼接处理，然后根据市级区划数据进行切割分幅，把分幅数据推送到广东省森林防火综合管理系统和广东省卫星林火监测数据共享云平台，各市级部门通过系统查看各自辖区的火情信息数据并组织护林员及有关力量进行实地核查和扑救。开发的成果发布界面见图3。

3.3 广东省卫星林火监测数据共享云平台设计

广东省卫星林火监测数据共享云接收来自静止卫星系统推送的葵花8号卫星数据以及林火监测结果。该系统支持各级森林防火部门用户在线查询、显示、下载卫星数据和林火监测成果的功能。

广东省卫星林火监测数据共享云平台按功能可以划分为静止卫星显示、林火监测成果发布、林火监测成果推送与下载等3个模块。

图3 广东省静止卫星林火监测成果发布及热点反馈软件界面

1）静止气象卫星数据显示模块。该模块支持已上传至卫星林火监测数据共享平台上的葵花8号数据影像动态显示。

2）林火监测成果发布模块。支持在线查询和显示静止卫星林火监测系统获取的林火监测成果。

3）林火监测成果推送与下载模块。负责从静止卫星林火监测系统获取的林火监测成果推送到广东省森林防火综合管理系统，支持各市级森林防火部门在线查看和下载。

目前，系统支持7X24小时卫星火情监测信息报送，时间频度为每30 min至1 h一次。对于重点地区和防火紧要时期，时间频度可达每15 min一次。监测热点可与广东省森林防火地理信息系统自动叠加，实现对监测热点的在线实时反馈。系统叠加界面见图4。

图4 静止卫星林火监测热点与地理信息系统叠加界面

4 结论和展望

2018年清明节期间，广东省静止卫星林火监测系统上线试运行，利用葵花8号卫星共监测到全省38宗森林火情。由于监测及时准确，有关部门迅速组织扑救力量，采取行之有效措施，第一时间有效处置火情，基本达到有火不成灾，实现森林火灾“打早，打小，打了”。未来将通过加大林火视频监控、巡山护林和实地现场校验等方式，来进一步提高算法，从而提高葵花8号卫星林火监测系统的精度和准确性，更好地服务于森林防火工作。

我国颁布的《全国森林防火规划（2016—2025年）》和《全国林业信息化建设纲要》，对于新时期我国森林防火信息化工作具有重要的指导意义。我国的森林防火工作应打防结合、预防与监测扑救并重[4]。在现有通过卫星监测全国范围、重点林区航空护林和视频监控以及地面巡护的基础上，利用葵花8号静止气象卫星遥感技术，结合地理信息系统、GPS定位以及数据库、视频及通信传输等高新技术，对现有的林火监测手段进行完善、补充和提升，开展整合葵花8号静止气象卫星与广东省森林防火综合业务系统的研究和应用，对于我省深入和高质量推进绿化广东大行动，实现“四个坚持”“三个支撑”和“两个走在前列”，保护生态文明建设成果都具有重要的现实意义。